Guia do Engenheiro Digital para Diretrizes de Projeto de PCB RF: Layout e Roteamento

Eu trabalho com muitas pessoas diferentes na indústria eletrônica, incluindo algumas empresas na área de materiais e semicondutores. Durante uma reunião, um fundador de startup me disse: “Engenheiros eletrônicos só precisavam aprender projeto de RF para passar nos seus exames de qualificação. Agora, temos que voltar, ler alguns livros de design de PCBs de RF e reaprender isso para os produtos que estamos projetando.” Vindo de um background em laser e óptica, o design de RF e o design analógico em geral são naturais para mim, e eu sempre subestimo a dificuldade no design digital. Agora, com sistemas modernos operando em frequências mais altas, incorporando múltiplos protocolos sem fio e interagindo com muitos sensores analógicos, designs avançados requerem conhecimento de ambas as disciplinas.

Se você é um designer digital, está confortável trabalhando no domínio do tempo e provavelmente tem uma excelente compreensão conceitual do comportamento eletrônico dependente do tempo. Se agora está começando a trabalhar no domínio RF e precisa projetar um sistema totalmente analógico ou de sinal misto, o layout de PCB RF precisará se tornar uma nova especialidade. Uma vez que você tenha criado seu layout de PCB RF, existem algumas ferramentas de solução de campo que você pode usar para avaliar seus projetos e garantir que seu sistema operará conforme o pretendido. Se você é um designer digital e agora está se aventurando no projeto analógico de alta frequência, continue lendo para aprender mais sobre as diretrizes de design de PCB RF em layout e roteamento.

Como Começar com as Diretrizes de Layout RF

Quando você está começando um layout de PCB RF, algumas considerações são típicas para qualquer placa. Qual é o tamanho da placa? Onde os componentes ou conectores críticos precisam ser localizados? Como ela se encaixará mecanicamente em seu invólucro? Estas são todas perguntas importantes para qualquer PCB, mas os sistemas RF carregam algumas considerações de design únicas que precisam ser respondidas.

Aqui estão algumas das perguntas importantes a responder ao desenvolver um layout de PCB RF ou um sistema digital com uma seção RF de alta frequência:

• Quais protocolos estão envolvidos?Sistemas RF precisarão fazer algo envolvendo altas frequências, que podem estar operando em algum protocolo e faixa de frequência padronizados. Também pode haver mais de um protocolo no sistema, e diferentes protocolos não devem interferir um com o outro.
• Quais frequências estão envolvidas? Em geral, frequências mais baixas são mais tolerantes do que frequências mais altas porque os parasitas são menos perceptíveis em frequências mais baixas. Sistemas RF também são menos propensos a acoplar ruído irradiado entre si em frequências mais baixas.
• Quais interfaces digitais estão envolvidas? Para alguns sistemas, as interfaces digitais podem ter taxas de transição mais lentas (SPI, I2C, etc.), então elas podem não ter um grande efeito no desempenho analógico a menos que você ignore as melhores práticas para roteamento e layout de PCB. Sistemas embarcados com alta capacidade de computação usarão protocolos de alta velocidade como gigabit Ethernet, DDR, PCIe e outros, que mais facilmente criarão diafonia em uma rede de sinal RF.

Obviamente, o termo "alta frequência" é subjetivo, mas o ponto importante é que a frequência afetará muitas decisões de design em um layout de PCB RF. Depois, há requisitos específicos do sistema, como você pode ver em um PCB de radar ou um sistema com antenas MIMO. As seções analógicas e digitais precisam ser tratadas de forma diferente devido à maneira como os componentes analógicos interagem com os sinais RF. Isso, então, influenciará suas escolhas de colocação de componentes e roteamento no layout.

Planejamento de Piso de PCB de Sinal Misto

Os designers digitais devem abordar um sistema RF com uma abordagem de planejamento de piso. O objetivo de alto nível aqui é agrupar componentes em blocos funcionais baseados em seu papel em fornecer funcionalidade ao produto. Um objetivo secundário é eliminar uma situação onde você precisa rotear interconexões RF longas por toda a placa para fazer as conexões necessárias. Eu e minha equipe faremos isso nos esquemáticos apenas para manter as coisas simples uma vez que os importamos para o layout do PCB, e fazer isso na frente ajuda a manter as coisas organizadas.

Tente manter as coisas compactas e segmente em diferentes blocos quando possível. Quando você começa a dividir seus blocos funcionais, corre o risco de precisar rotear trilhas de RF e digitais de um lado para o outro na placa. Isso cria mais pontos onde pode ocorrer forte diafonia, e torna-se mais difícil acompanhar o caminho de retorno por toda a placa. O planejamento do layout precisa ser feito juntamente com outra tarefa importante: projetar o empilhamento da PCB.

Design de Empilhamento de PCB para Dispositivos RF

O design do empilhamento está relacionado ao planejamento do layout, pois sua estratégia de roteamento e layout exigirá uma estratégia de aterramento, especialmente em frequências RF práticas. O empilhamento da PCB que você usa determinará seu acesso à alimentação e ao aterramento no layout da PCB, bem como o espaço disponível para rotear sinais na sua placa. Um exemplo de um empilhamento de PCB de 8 camadas que você pode usar para um design RF é mostrado abaixo. Embora isso não seja típico, ele fornece o padrão para selecionar camadas e organizar camadas de sinal versus camadas de plano no empilhamento para sinais de baixa velocidade, alta velocidade e RF.

Neste exemplo de empilhamento, existem trilhas na camada superficial superior para fornecer conexões diretas entre componentes analógicos de alta frequência; estas podem ser roteadas em qualquer um dos estilos de roteamento que apresentarei abaixo. Logo abaixo, temos planos de terra/energia, que são adjacentes para fornecer capacitância interplana e garantir que a energia estável seja entregue por todo o sistema (tanto para componentes digitais quanto analógicos). Nas camadas internas, podemos ter outros sinais de RF (frequência mais baixa), ou podemos ter sinais digitais de baixa velocidade. Na superfície inferior, permiti a possibilidade de sinais digitais de alta velocidade, embora pudéssemos ter esses vários sinais misturados entre as camadas superior e inferior, desde que os caminhos de retorno sejam controlados.

Leia mais sobre técnicas de design de PCB RF planejando seu empilhamento de PCB para sistemas de sinal misto e traçando um caminho de retorno em um artigo recente de Kella Knack.

Se você não está colocando muitos componentes digitais na placa, provavelmente pode desistir de 2 camadas. Eu argumentaria que você precisará de pelo menos 4 ou 6 camadas com contagens pequenas de componentes devido à necessidade de aterramento no sistema. O objetivo do aterramento é apoiar o roteamento, o que discutirei na próxima seção das diretrizes de layout de RF.

Planeje o Aterramento para Apoiar o Roteamento

O aterramento é importante para definir um caminho de retorno em um layout de RF, embora seja melhor pensar em termos do espaço na placa ocupado por ondas eletromagnéticas viajando ao redor de um traço. Note que o sinal viajando em um interconector não aparece como uma corrente fluindo em um condutor; este é um modelo conceitual que não corresponde à realidade. A verdade é que o campo eletromagnético ocupa algum espaço ao redor do condutor, e a força do campo dentro deste espaço será determinada pela presença de condutores ao redor do interconector.

O campo ao redor do traço então faz com que uma corrente de retorno apareça como uma corrente de deslocamento. Isso ocorre porque, se olharmos para o arranjo de traço de microstrip e plano de terra mostrado abaixo, temos dois condutores trazidos a potenciais diferentes que são separados por um isolante (o material laminado do PCB), formando um capacitor. A corrente de deslocamento no plano de terra segue as linhas do campo elétrico à medida que elas terminam no plano de terra.

Por que tudo isso é tão importante para o layout de PCBs RF? A razão é que colocar terra perto de suas interconexões de alta frequência confina o campo ao redor da interconexão, e garante que a corrente de retorno fique mais próxima do traço em frequências mais altas. Sem o plano de terra próximo a um traço, não sabemos exatamente onde a corrente de retorno estará, criando forte emissão e recepção de EMI.

Para resumir rapidamente este ponto sobre aterramento, temos duas diretrizes de design de PCB RF:

• Não separe fisicamente ou divida uma camada de plano em ilhas com componentes digitais e analógicos e tente uni-los com um capacitor. Você terá um caminho de retorno mal concebido que cria um problema de EMI. Apenas use uma única camada de plano e aprenda a traçar caminhos de retorno.
• Aproveite as camadas de plano para garantir a integridade do sinal e da alimentação. Isso significa que, mesmo que você tenha uma placa RF simples com apenas alguns componentes, precisará de uma placa de pelo menos 4 camadas para fornecer as camadas de plano necessárias.

Para saber mais sobre a importância do aterramento em um layout de PCB RF, leia mais sobre caminhos de retorno em seu PCB neste artigo recente.

Rotear Suas Trilhas RF

Agora é a hora da parte divertida: roteamento RF. Todo roteamento RF requer impedância controlada. Isso pode exigir a colocação de uma rede de terminação para garantir a transferência de energia para um componente (por exemplo, um divisor ou antena), ou a colocação de um filtro/amplificador para ajustar frequências específicas que viajam ao longo de um interconector. Componentes que possuem uma saída RF integrada podem ter a terminação necessária no próprio chip, então certifique-se de verificar isso antes de colocar quaisquer componentes de terminação na extremidade do driver do seu interconector RF.

Geometrias de Trilha

Quando chegar a hora de rotear suas trilhas críticas de RF, você precisará decidir sobre uma geometria de trilha. Em frequências de Wifi e superiores, a maioria das notas de aplicação de componentes recomendará o uso de uma guia de onda coplanar aterrada para rotear suas trilhas de RF. No entanto, cabe a você, como projetista, avaliar os prós e contras de diferentes geometrias de trilhas. Eu resumi estes na tabela abaixo.

Em todas as geometrias acima, geralmente estamos lidando com sinais de banda estreita, e os laminados FR4 tendem a ter uma dispersão bastante baixa dentro das larguras de banda estreitas que você encontraria em padrões de sinalização sem fio/RF práticos. A única exceção que consigo pensar no momento é o rádio definido por software, que requer a mesma abordagem para projetar uma impedância alvo como trilhas para trilhas digitais (ou seja, uma abordagem de banda larga). À parte desta área de aplicação, você pode geralmente ignorar a dispersão FR4 e você obterá um cálculo de impedância preciso com um solucionador de campo, contanto que você conheça os valores de Dk e tangente de perda na sua frequência alvo.

O Impacto do Comprimento da Trilha e Vias

Eu abordo o comprimento de traços e vias em interconexões RF porque eles podem ter efeitos similares na perda total e distorção de sinal em uma PCB RF, mas não da mesma maneira. Alguns projetistas afirmam que você deve sempre usar os comprimentos de traço mais curtos possíveis em sinais de alta frequência, mas eles não parecem entender completamente por que isso é importante. A perda é um fator, mas a impedância de entrada também é, o que é particularmente importante em redes de terminação e interconexões com capacitores de acoplamento.

Em resumo, existe uma lista de diretrizes de layout RF a seguir em relação a comprimentos de traço e contagem de vias em interconexões:
Traços entre componentes em circuitos RF, como passivos em um filtro, podem se comportar como linhas de transmissão, mesmo que o roteamento entre traços seja curto.

• As perdas são importantes, mas as perdas em interconexões curtas são dominadas pela perda de retorno, que é devida a uma incompatibilidade entre duas impedâncias. A incompatibilidade precisa ser tratada projetando para uma impedância precisa, normalmente com um solucionador de campo.
• Se você projetou um microstrip com impedância controlada, então roteie-o como um microstrip. Não roteie um microstrip como um guia de onda coplanar porque colocar um preenchimento de terra e vias ao redor de um microstrip modificará sua impedância.
• As vias podem começar a agir como filtros ou ressonadores em altas frequências, como vias passantes em frequências de ondas milimétricas. Não faça rotas através de muitas vias, pois as perdas se acumularão, e não deixe tocos de via em linhas de transmissão de alta frequência.
• Siga outras diretrizes de roteamento padrão para PCBs de alta velocidade/alta frequência para garantir que você está mantendo a impedância e minimizando perdas/distorsões. Discutirei mais sobre roteamento em um futuro artigo.

O layout de PCBs RF pode ser complexo para designers digitais, mas os recursos de design em Altium Designer® ajudarão você a rotear com alta precisão e exportar seu design para análise nos solucionadores de campo da Ansys com a utilidade EDB Exporter. Altium Designer e Ansys se uniram para oferecer aos engenheiros de RF e designers de PCB uma maneira fácil de colaborar em designs de alta frequência e avaliar completamente um layout de PCB RF.

Quando você terminar seu projeto e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração e o compartilhamento dos seus projetos. Recursos como comentários, compartilhamento de design e gerenciamento de acesso de usuários permitem que você mova facilmente o layout da sua PCB RF através de uma revisão de design de PCB, onde as alterações necessárias podem ser marcadas no layout da PCB e enviadas de volta a um designer para modificação. O Altium 365 também facilita o compartilhamento rápido dos seus dados de fabricação com o seu fabricante de PCB, tudo sem enviar e-mails ou usar programas de chat externos.

Apenas arranhamos a superfície do que é possível fazer com o Altium Designer no Altium 365 neste blog de design RF. Você pode verificar a página do produto para uma descrição mais aprofundada das características sobre técnicas de design de PCB RF ou um dos Webinars Sob Demanda.